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什么是GPS，它是如何工作的？

GPS即全球定位系統(tǒng)，是一種導(dǎo)航系統(tǒng)，使用衛(wèi)星、接收器和算法同步位置、速度和時間數(shù)據(jù)，用于海陸空定位。

該衛(wèi)星系統(tǒng)是一個由24顆衛(wèi)星組成的星座，位于6個以地球為中心的軌道平面上，每個軌道平面上有4顆衛(wèi)星，在地球上空20000公里的軌道上以14000公里每小時的速度運行。

雖然我們只需要三顆衛(wèi)星就能確定地球表面的位置，但第四顆衛(wèi)星經(jīng)常被用來驗證其他三顆衛(wèi)星提供的信息是否準(zhǔn)確；第四顆衛(wèi)星也讓用戶進入了三維空間，可以計算設(shè)備的高度。

GPS的三個要素是什么？

GPS由三個部分組成，共同提供位置信息，分別為：

空間段——環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星，按地理位置和時間向用戶發(fā)送信號；

地面段——由地面監(jiān)控站、主控制站和地面天線組成?？刂苹顒影ǜ櫤筒僮骺臻g衛(wèi)星以及監(jiān)測傳輸。世界上幾乎每個大洲都有監(jiān)測站，包括北美、南美、非洲、歐洲、亞洲和澳大利亞；

用戶段——GPS接收器和發(fā)射器，包括手表，智能手機和遠程通訊設(shè)備。

GPS技術(shù)是如何工作的？

GPS使用一種叫做三邊定位的技術(shù)工作；這種技術(shù)用于計算位置、速度和高度，收集衛(wèi)星信號輸出位置信息。

環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星發(fā)送信號，由位于地球表面或附近的GPS設(shè)備讀取和解讀。要計算位置，GPS設(shè)備必須能夠讀取來自至少四顆衛(wèi)星的信號。

網(wǎng)絡(luò)中的每顆衛(wèi)星每天環(huán)繞地球兩次，每顆衛(wèi)星發(fā)送獨特的信號、軌道參數(shù)和時間。在任何給定的時刻，GPS設(shè)備都可以讀取至少6顆衛(wèi)星的信號。

一顆衛(wèi)星會發(fā)出微波信號，由GPS裝置接收，用以計算從GPS裝置到衛(wèi)星的距離。由于GPS設(shè)備只提供與衛(wèi)星的距離信息，一顆衛(wèi)星不能提供太多的位置信息。衛(wèi)星不會發(fā)出關(guān)于角度的信息，所以GPS設(shè)備的位置可能在球體表面的任何地方。

當(dāng)?shù)谝活w衛(wèi)星發(fā)送信號時，它會形成一個圓，其半徑由GPS設(shè)備測量到衛(wèi)星。

再加一顆衛(wèi)星，就會產(chǎn)生第二個圓，而位置就會縮小到兩個圓的交點之一。

有了第三顆衛(wèi)星，設(shè)備的位置就可以最終確定，因為該設(shè)備位于所有三個圓的交點上。

也就是說，我們生活在一個三維世界里，這意味著每顆衛(wèi)星產(chǎn)生的是一個球體，而不是一個圓。三個球體的交點產(chǎn)生兩個交點，因此選擇離地球最近的點。

下面是衛(wèi)星測距的圖解：

當(dāng)一個設(shè)備移動時，半徑（到衛(wèi)星的距離）就會改變。當(dāng)半徑改變時，產(chǎn)生了新的球體，給了我們一個新的位置。我們可以利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星的時間，來確定速度，計算到目的地的距離和ETA（Estimated Time of Arrival， 即估計到達時間）。

GPS的用途是什么？

對于許多不同行業(yè)的企業(yè)和組織來說，GPS是一個強大可靠的工具。測量員、科學(xué)家、領(lǐng)航員、船長、急救人員以及采礦和農(nóng)業(yè)工人，只是日常工作中使用GPS的一部分。他們使用GPS信息來完成精準(zhǔn)調(diào)查和地圖繪制，進行精確的時間測量、位置定位或跟蹤，以及導(dǎo)航等。GPS在任何時間和幾乎所有天氣條件下都能工作。

GPS主要有五種用途：

定位——確定位置；

導(dǎo)航——確定從一個位置到另一個位置的路線；

跟蹤——監(jiān)控對象或個人運動；

映射——創(chuàng)建世界地圖；

計時——使精確的時間測量成為可能。

GPS用例的一些具體例子包括：

應(yīng)急響應(yīng)

在發(fā)生緊急情況或自然災(zāi)害時，第一反應(yīng)人員使用GPS繪制地圖、跟蹤和預(yù)測天氣，并跟蹤應(yīng)急人員。在歐盟和俄羅斯，eCall法規(guī)依靠GLONASS技術(shù)（一種GPS替代技術(shù)）和遠程信息技術(shù)，在發(fā)生車禍時將數(shù)據(jù)發(fā)送給緊急服務(wù)機構(gòu)，縮短了響應(yīng)時間；

娛樂

GPS可以整合到游戲和活動中，如Pokémon Go和Geocaching；

健康和健身

智能手表和可穿戴技術(shù)可以跟蹤健身活動（如跑步距離），并根據(jù)類似的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行基準(zhǔn)測試；

建筑、采礦和越野卡車運輸

從定位設(shè)備到測量和改善資產(chǎn)配置，GPS使公司能夠提高資產(chǎn)回報率；

運輸

物流公司實施遠程信息系統(tǒng)，以提高司機的生產(chǎn)力和安全性；卡車跟蹤器可用于支持路線優(yōu)化、燃油效率、司機安全及合規(guī)。

其他使用GPS的行業(yè)包括農(nóng)業(yè)、自動駕駛汽車、銷售和服務(wù)、軍事、移動通信、安全和漁業(yè)等。

GPS有多精確？

GPS設(shè)備的準(zhǔn)確性取決于許多變量，比如可用衛(wèi)星的數(shù)量、電離層、城市環(huán)境等等。

影響GPS精度的因素包括：

物理障礙

到達時間的測量可能會被大山、建筑物、樹木等大的物體所扭曲；

大氣影響

電離層延遲、強風(fēng)暴覆蓋和太陽風(fēng)暴都會影響GPS設(shè)備；

星歷

衛(wèi)星內(nèi)部的軌道模型可能是錯誤的或過時的，盡管這變得越來越罕見；

數(shù)值計算錯誤

當(dāng)設(shè)備硬件設(shè)計不符合規(guī)格時，這可能是一個因素；

人工干擾

包括GPS干擾設(shè)備或欺騙。

在沒有相鄰高層建筑的開放區(qū)域，準(zhǔn)確度往往更高，這種效應(yīng)被稱為城市峽谷。當(dāng)一個設(shè)備被大型建筑包圍時，比如在曼哈頓市中心或多倫多，衛(wèi)星信號首先被屏蔽，然后被建筑反射，最后被設(shè)備讀取，這可能會導(dǎo)致對衛(wèi)星距離的錯誤計算。

GPS簡史

幾千年來，人類一直在利用太陽、月亮、星星以及后來的六分儀來進行航海。GPS是20世紀(jì)由于太空時代的技術(shù)而取得的一項進步。

GPS技術(shù)在歷史上一直在全球范圍內(nèi)使用。1957年俄羅斯斯普特尼克一號衛(wèi)星的發(fā)射帶來了地理定位能力的可能性，不久之后，美國國防部開始使用它進行潛艇導(dǎo)航。

1983年，美國政府公開了GPS，但仍然控制著可用的數(shù)據(jù)；直到2000年，公司和普通公眾才完全獲得了GPS的使用權(quán)，最終為更廣泛的GPS發(fā)展鋪平了道路。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

GPS被認為是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），這意味著它是一個覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。截至2021年，有三個全面運行的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：美國NAVSTAR GPS、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）以及中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS。NAVSTAR GPS由美國擁有的32顆衛(wèi)星組成，是最著名和應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星系統(tǒng)；俄羅斯的GLONASS由24顆運行衛(wèi)星組成，剩下3顆作為備用衛(wèi)星或正在測試中；中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由55顆運行衛(wèi)星組成，與其它衛(wèi)星定位系統(tǒng)最大的不同點在于它是一種雙向傳播的方式，除了單純地定位以外，還能發(fā)送定位。

其他國家也在競相追趕。例如，歐盟一直在研究伽利略系統(tǒng)；日本和印度也在各自的區(qū)域系統(tǒng)上進展順利，即準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）和印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）。

GPS和GNSS設(shè)備

雖然GPS是GNSS的一個子集，但接收器被區(qū)分為GPS（僅指GPS）或GNSS。GPS接收器只能從GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星讀取信息，而典型的GNSS設(shè)備可以同時從GPS、GLONASS和BDS接收信息。

一個GNSS接收器有60顆衛(wèi)星可供觀測。雖然一個設(shè)備只需要三顆衛(wèi)星就可以確定它的位置，但衛(wèi)星數(shù)量越多，準(zhǔn)確度就越高。下面的圖表顯示了可用衛(wèi)星數(shù)量的一個例子（綠色顯示），以及它對GPS接收器的信號強度（柱高）。在這種情況下，有12顆衛(wèi)星可用。

典型的gps測試板顯示12個衛(wèi)星信號

GNSS設(shè)備可以看到更多的衛(wèi)星，這有助于提高設(shè)備的精度。在下面的圖表中，有17顆可用的衛(wèi)星；綠條是GPS的一部分，藍條是GLONASS的一部分。

典型的GNSS測試板顯示17個衛(wèi)星信號

向接收器提供信息的衛(wèi)星數(shù)量越多，GPS設(shè)備就能更精確地計算位置；當(dāng)接收器計算出用戶的位置時，衛(wèi)星越多，設(shè)備就越有可能得到定位。

盡管如此，GNSS接收機也有一些缺點：

GNSS芯片的成本高于GPS設(shè)備；

GNSS比GPS （1559-1591 MHz）使用更寬的帶寬（1559-1610 MHz），這意味著標(biāo)準(zhǔn)的GPS射頻組件，如天線、濾波器和放大器，不能用于GNSS接收機，導(dǎo)致成本更高；

耗電量將略高于GPS接收器，因為它連接更多的衛(wèi)星，并運行計算來確定位置。

GPS的未來

目前各國還在繼續(xù)建設(shè)同時改進其GPS系統(tǒng)，全世界都在努力提高精度，提高可靠性和GPS功能。

例如：

GNSS接收器預(yù)計將變得更小、更精確和更高效，而GNSS技術(shù)也將滲透到成本敏感的GPS應(yīng)用中；

科學(xué)家和救援人員正在尋找新的方法，在發(fā)生地震、火山爆發(fā)、天坑或雪崩時，利用GPS技術(shù)進行自然災(zāi)害預(yù)防和分析；對于COVID-19大流行，研究人員正在研究使用手機位置數(shù)據(jù)來協(xié)助追蹤接觸者，以減緩病毒的傳播；

新的GPS III衛(wèi)星的發(fā)射將把GPS精度提高到1-3米，提高導(dǎo)航能力，預(yù)計最早在2023年推出更持久的組件；

下一代GPS衛(wèi)星將包括更好的信號保護，降低對信號干擾的敏感性，以及在覆蓋死區(qū)方面更具可操作性；

美國國家航空航天局的深空原子鐘將使用一個強大的機載GPS衛(wèi)星，以幫助未來宇航員進行深空旅行時提供更好的時間一致性。

可以預(yù)見，無論對于個人還是商業(yè)用途，未來的GPS追蹤將會更加精確和有效。

原文鏈接：

https://www.geotab.com/blog/what-is-gps/

編輯：jq